RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP PERSEGI PANJANG MULTILAYER PARASITIK UNTUK APLIKASI WIRELESS FIDELITY (WIFI) Oleh Chorintan Prabelia NIM:

Transkripsi

1 RANCANG BANGUN ANTENA MIKROSTRIP PERSEGI PANJANG MULTILAYER PARASITIK UNTUK APLIKASI WIRELESS FIDELITY (WIFI) Oleh Chorintan Prabelia NIM: Skripsi Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga Mei 2016

2

3

4

5

6 RANCANG BANGUN ANTENA MİKROSTRIP PERSEGI PANJANG MULTİLAYER PARASITIK UNTUK APLİKASI WİRELESS FIDELITY (WIFI) Oleh Chorintan Prabelia NİM: Skripsi ini telah diterima dan disahkan Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik dalam Konsentrasi Telekomunikasi Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektronika dan Kompüter Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga Disahkan oleh : M.T.

7 KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena berkat rahmat dan kuasa-nya, penulis dapat menyelesaikan perancangan serta penulisan skripsi sebagai syarat kelulusan di Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana. Penulis berharap laporan yang penulis susun ini bermanfaat bagi pembaca yang mana nantinya dapat digunakan sebaik-baiknya. Tidak hanya itu, semoga nantinya laporan ini dapat dikembangkan lebih lanjut sehingga di capai teknologi tepat guna dan efisien untuk diaplikasikan ke dalam kehidupan sehari-hari khususnya di bidang telekomunikasi. Tanpa bantuan dari pihak yang bersangkutan, penulisan skripsi ini tidak akan berjalan dengan baik. Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada : 1. Ibu Eva Yovita Dwi Utami, M.T. selaku pembimbing I yang sudah banyak membantu dan meluangkan waktunya untuk memberi bimbingan, masukan dan kritik kepada penulis selama mengerjakan skripsi ini. 2. Bapak Ir. F. Dalu Setiaji, M.T. selaku pembimbing II, yang sudah memberikan waktu untuk memberi bimbingan, saran dan kritik kepada penulis dalam mengerjakan skripsi ini. 3. Bapak Ir. Yuyu Wahyu, M.T dan Bapak Hendrawan yang telah membantu dalam proses pengukuran antena di Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi- Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (PPET-LIPI) Bandung. 4. Bapak Dahat Priyanto dan Ibu Sumini Wulansari, orang tua tercinta yang selalu mendukung, menyayangi dan mendoakan penulis dalam segala hal. 5. Angkit Kinasih dan Brillian Budi Nurani, kedua kakak tercinta yang ikut membantu, mendukung dan menemani penulis dalam banyak hal. 6. Jimmi Saputra, waktu, tenaga, materi, perhatian, dukungan, kasih sayang, semuanya dari kamu terimakasih 7. Maria Enggar, Triloka Mahesti, Hanna Indharti, Ari Fitriani, Rachel, Nana dan Atria wonder woman 2011, teman, sahabat yang selalu bersama melalui proses belajar dari awal sampai akhir perkuliahan.

8 8. Aloysius Kevin dan mas Daniel Danar yang turut serta membantu dalam penulisan skripsi ini. 9. Seluruh keluarga 2011 (Prabata, G de, Nugrahaning, Choliq, Listyo, Agus, Benhardi, Kang Ari, Dandy, Shadrak, Bani, Karista, Markus, Respati, Tiras, Liang, Joel, Teguh, Boby, Christian, Herman, Wawan, Ivan KS, Frans,dll) dan masih banyak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu, teman-teman seperjuangan yang selalu memberikan banyak suka duka pengalaman selama berkuliah. Banyak hal yang penulis dapatkan dari keluarga ini. Terimakasih sudah menjadi keluarga baru yang penuh makna 10. Novembri 2012 dan tim R2C yang meminjamkan router dan membantu serta menyediakan tempat dalam proses pengujian alat. 11. Keluarga besar FTEK, baik kakak angkatan dan adik angkatan, terlalu banyak anggota keluarga ini yang turut membantu proses perkuliahan dan penulisan skripsi ini. 12. Seluruh dosen, karyawan, laboran FTEK dan wanita super TU (Mbak Yola, Mbak Rista, Mbak Ragil dan Mbak Dita) yang telah banyak mendukung, membantu dan serta memfasilitasi penulis selama belajar di FTEK UKSW. 13. Berbagai pihak yang tidak dapat dituliskan satu persatu, penulis mengucapkan terimakasih. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kata kesempurnaan karena keterbatasan yang penulis miliki. Untuk itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun dari pembaca demi perbaikan di masa yang akan datang. Dengan segala kerendahan hati, penulis berharap semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi pembaca dan penulis dan dapat berguna bagi kemajuan teknik telekomunikasi. Salatiga, Mei Penulis

9 INTISARI Wireless fidelity (wifi) adalah salah satu teknologi Wireless Local Area Network (WLAN) yang bekerja pada frekuensi 2,4-2,4835 GHz. Salah satu perangkat pendukung sistem komunikasi nirkabel adalah antena. Untuk mendukung teknologi wifi yang semakin dibutuhkan di berbagai tempat, diperlukan adanya antena yang berukuran kecil, mudah dalam pabrikasi serta dengan biaya yang murah. Antena mikrostrip adalah antena yang memenuhi kriteria tersebut. Antena mikrostrip ini memiliki kelebihan berukuran kecil dan memiliki harga relatif murah daripada antena jenis lainnya. Namun, kelemahan pada antena mikrostrip itu adalah memiliki gain yang kecil. Oleh karena itu, diperlukan adanya usaha peningkatan gain untuk mememenuhi permintaan yang tinggi terhadap layanan komunikasi nirkabel, sehingga coverage layanan semakin luas. Salah satu metode untuk meningkatkan gain antena mikrostrip adalah penambahan multilayer parasitik pada antena mikrostrip. Pada skripsi ini dirancang antena mikrostrip patch persegi panjang multilayer parasitik yang bekerja pada frekuensi 2,4 2,4835 GHz dengan VSWR 2 dan mempunyai gain minimal 6 db. Simulasi antena menggunakan software Computer Simulation Tools (CST) Microwave Studio Dari hasil pengukuran antena yang telah dirancang, antena mikrostrip patch persegi panjang multilayer parasitik ini mampu bekerja pada rentang frekuensi 2,37 GHz - 2,495 GHz dengan VSWR 1,5 dan gain 9,1 db. Antena ini juga memiliki nilai VSWR dan return loss masing-masing sebesar 1,284 dan -18,091 db pada frekuensi 2,442 GHz.

10 ABSTRACT Wireless fidelity (wifi) is one of Wireless Local Area Network (WLAN) technology that operates at 2,4-2,4835 GHz frequency. One of supporting device of this wireless communication system is antenna. A small, easily fabricate, and low cost antenna is needed to support wifi technology which frequently required in everywhere. In this case, microstrip antenna is able to fulfill those criterias. Small in size and lower in price are advantages of microstrip antenna compared to other antennas. But, it has low gain. Therefore, an effort is needed to increase the gain in order to cover high demand to the wireless communication service. One method to solve it is to add parasitic multilayer to this antenna. In this final project, a rectangular patch parasitic multilayer microstrip antenna is designed. It operates at frequency of 2,4 2,4835 GHz with VSWR 2 and has 6 db gain at the minimum. The simulation itself used Computer Simulation Tools (CST) Microwave Studio 2014 as the software. The result shows that the rectangular patch parasitic multilayer microstrip antenna operates at range frequency of 2,37 GHz to 2,495 GHz with 1,5 VSWR and 9,1 db gain. This antenna also has VSWR and return loss point of 1,284 and -18,09 db for each at 2,442 GHz frequency.

11 DAFTAR ISI INTISARI... i ABSTRACT... ii KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR TABEL... xi DAFTAR SIMBOL... xii DAFTAR ISTILAH... xiv DAFTAR SINGKATAN... xv BAB I PENDAHULUAN Tujuan Latar Belakang Spesifikasi Alat Sistematika Penulisan... 2 BAB II DASAR TEORI Antena Antena Mikrostrip Antena Mikrostrip Patch Persegi Panjang Teknik Pencatuan Antena Mikrostrip Microstrip Line Feed Probe Coaxial Feed Aperture Coupling Proximity Coupling Antena Multilayer Parasitik pada Mikrostrip Parameter Umum Antena Mikrostrip Impedansi Masukan Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) Return Loss... 14

12 Bandwidth Gain Pola Radiasi Prosedur Pengukuran Antena Pengukuran Port Tunggal Pengukuran Gain Pengukuran Pola Radiasi BAB III PERANCANGAN ALAT DAN SIMULASI Peralatan yang Digunakan Perangkat Keras Perangkat Lunak Jenis Substrat yang Digunakan Perancangan Antena Mikrostrip Multilayer Parasitik Diagram Alir Perancangan Antena Mikrostrip Multilayer Parasitik Menentukan Spesifikasi Antena Perancangan Dimensi Patch Persegi Panjang Perancangan Panjang dan Lebar Saluran Pencatu Perancangan Dimensi Ground Plane Simulasi Optimasi Antena Elemen Tunggal Hasil Simulasi Elemen Tunggal Perancangan Antena Mikrostrip dengan Multilayer Parasitik Optimasi Antena Mikrostrip Multilayer Parasitik Hasil Simulasi Antena Mikrostrip Patch Persegi Panjang Multilayer Parasitik BAB IV PENGUKURAN DAN ANALISIS Hasil Pengukuran Parameter Antena Pengukuran VSWR, Return Loss dan Impedansi Hasil Pengukuran VSWR Hasil Pengukuran Return Loss Hasil Pengukuran Impedansi... 63

13 Pengukuran Gain Pengukuran Pola Radiasi Analisis Hasil Pengukuran Analisis Hasil Pengukuran dan Simulasi Analisis dengan Hasil Metode Array Hasil Pengujian Antena Mikrostrip Patch Persegi Panjang Multilayer Parasitik pada Router Wifi Analisis Perbandingan Pengujian Antena Mikrostrip Patch Persegi Panjang Multilayer Parasitik dengan Metode Array pada Router Analisis Kesalahan Umum BAB V KESIMPULAN DAFTAR PUSTAKA... 76

14 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Struktur Antena Mikrostrip [5]...4 Gambar 2.2. Bentuk Patch [5]...5 Gambar 2.3. Microstrip Line Feed [5]...9 Gambar 2.4. Coaxial feed [2]...10 Gambar 2.5. Aperture Coupling [2]...10 Gambar 2.6. Proximity Coupling [2]...11 Gambar 2.7. Contoh konfigurasi antena mikrostrip dengan elemen parasitik...13 Gambar 2.8. Rentang Frekuensi yang menjadi bandwidth...15 Gambar 2.9. Bidang Pola Radiasi Antena [5]...17 Gambar Konfigurasi pengukuran port tunggal...18 Gambar Konfigurasi pengukuran gain antena...19 Gambar 3.1. Diagram Alir Perancangan (a) bagian perancangan perhitungan (b) bagian perancangan simulasi...23 Gambar 3.2. Antena Mikrostrip multilayer Parasitik...25 Gambar 3.3. Bentuk hasil perancangan awal antena elemen tunggal...29 Gambar 3.4. Return Loss simulasi elemen tunggal...29 Gambar 3.5. Nilai VSWR simulasi elemen tunggal...29 Gambar 3.6. Impedansi elemen tunggal...30 Gambar 3.7. Perancangan awal antena elemen tunggal dengan insert feed...31 Gambar 3.8. Return Loss simulasi antena elemen tunggal dengan insert feed...31 Gambar 3.9. Nilai VSWR simulasi antena elemen tunggal dengan insert feed...32 Gambar Impedansi simulasi antena elemen tunggal dengan insert feed...32 Gambar Return Loss Optimasi terhadap Nilai Panjang Patch...33 Gambar Nilai VSWR Optimasi terhadap Nilai Panjang Patch...33 Gambar Return Loss Optimasi terhadap Nilai Lebar Patch...34 Gambar Nilai VSWR Optimasi Nilai Lebar Patch...34 Gambar Return Loss Optimasi terhadap Nilai Panjang Insert Feed...35 Gambar Nilai VSWR Optimasi terhadap Nilai Panjang Insert Feed...36

15 Gambar Bentuk hasil perancangan antena elemen tunggal...37 Gambar Hasil simulasi Return Loss elemen tunggal...37 Gambar Hasil simulasi VSWR dan Bandwidth elemen tunggal...38 Gambar Hasil simulasi gain elemen tunggal...38 Gambar Hasil simulasi pola radiasi elemen tunggal (a) elevasi (b) azimuth...39 Gambar Desain Antena Mikrostrip Patch Persegi Panjang Multilayer Parasitik40 Gambar Return Loss Antena Mikrostrip Patch Persegi Panjang Multilayer Parasitik...40 Gambar Bandwidth dan VSWR Antena Mikrostrip Patch Persegi Panjang Multilayer Parasitik...41 Gambar Impedansi Antena Mikrostrip Patch Persegi Panjang Multilayer Parasitik...41 Gambar Gain Antena Mikrostrip Patch Persegi Panjang Multilayer Parasitik.41 Gambar Return Loss Optimasi terhadap Ukuran Substrat Parasitik...43 Gambar Bandwidth dan VSWR Optimasi terhadap Ukuran Substrat Parasitik..43 Gambar Impedansi Optimasi terhadap Ukuran Substrat Parasitik...44 Gambar Gain Optimasi terhadap Ukuran Substrat Parasitik...44 Gambar Jarak lebar dan panjang antar Patch pada Lapisan Parasitik...46 Gambar Jarak Lebar antar Patch pada Lapisan Parasitik...47 Gambar Return Loss Optimasi terhadap Jarak Lebar antar Patch pada Lapisan Parasitik...49 Gambar Bandwidth dan VSWR Optimasi terhadap Jarak Lebar antar Patch pada Lapisan Parasitik...49 Gambar Impedansi Optimasi terhadap Jarak Lebar antar Patch pada Lapisan Parasitik...49 Gambar Gain Optimasi terhadap Jarak Lebar antar Patch pada Lapisan Parasitik...50 Gambar Jarak Panjang antar Patch pada Lapisan Parasitik...51 Gambar Hasil Simulasi Return Loss Antena Mikrostrip Patch Persegi Panjang Multilayer Parasitik...55

16 Gambar Hasil Simulasi VSWR Antena Mikrostrip Patch Persegi Panjang Multilayer Parasitik...55 Gambar Hasil Simulasi Impedansi Antena Mikrostrip Patch Persegi Panjang Multilayer Parasitik...56 Gambar Hasil simulasi gain antena mikrostrip patch persegi panjang multilayer parasitik...57 Gambar Hasil simulasi pola radiasi antena mikrostrip patch persegi panjang multilayer parasitik...57 Gambar 4.1. Hasil fabrikasi antena mikrostrip patch persegi panjang multilayer parasitik...59 Gambar 4.2. Grafik hasil pengukuran VSWR antena mikrostrip patch persegi panjang multilayer parasitik...61 Gambar 4.3. Grafik hasil pengukuran Return Loss antena mikrostrip patch persegi panjang multilayer parasitik...62 Gambar 4.4. Grafik hasil pengukuran impedansi antena patch mikrostrip persegi panjang multilayer parasitik...63 Gambar 4.5. Daya yang diterima antena uji ( )...64 Gambar 4.6. Daya yang diterima antena referensi ( )...65 Gambar 4.7. Hasil pengukuran pola radiasi sudut azimuth antena mikrostrip patch persegi panjang multilayer parasitik...66 Gambar 4.8. Hasil pengukuran pola radiasi sudut elevasi antena mikrostrip patch persegi panjang multilayer parasitik...66 Gambar 4.9. Grafik Perbandingan Nilai VSWR Hasil Simulasi dan Hasil Pengukuran Antena Mikrostrip Patch Persegi Panjang Multilayer Parasitik...67 Gambar Grafik Perbandingan Nilai Return Loss Hasil Simulasi dan Hasil Pengukuran Antena Mikrostrip Patch Persegi Panjang Multilayer Parasitik...68

17 DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Nilai Permitivitas Relatif Beberapa Bahan Dielektrik [1]...6 Tabel 3.1. Spesifikasi substrat yang digunakan...22 Tabel 3.2. Hasil Perhitungan Dimensi Antena...28 Tabel 3.3. Tabel Optimasi terhadap Nilai Panjang Patch...33 Tabel 3.4. Tabel Optimasi Nilai Lebar Patch...34 Tabel 3.5. Tabel Optimasi terhadap Nilai Panjang Insert Feed...36 Tabel 3.6. Tabel Optimasi Ukuran Substrat Parasitik...43 Tabel 3.7. Tabel Optimasi Jarak Gap Antar Lapisan...45 Tabel 3.8. Tabel Optimasi Jarak Lebar Antar Patch...48 Tabel 3.9. Tabel Optimasi terhadap Jarak Panjang Antar Patch...52 Tabel Tabel Hasil Simulasi Variasi Nilai dan...54 Tabel 4.1. Gain Antena Mikrostrip Patch Persegi Panjang Multilayer Parasitik...64 Tabel 4.2. Perbandingan nilai hasil simulasi dan hasil pengukuran antena mikrostrip patch persegi panjang multilayer parasitik...69 Tabel 4.3. Perbandingan hasil pengukuran antena mikrostrip patch persegi panjang elemen tunggal, array, dan multilayer parasitik...70 Tabel 4.4. Hasil pengujian antena mikrostrip patch persegi panjang multilayer parasitik pada router wifi...71 Tabel 4.5. Hasil pengujian antena mikrostrip elemen tunggal dan array pada router wifi[1]...72 Tabel 4.6. Hasil perbandingan pengujian antena mikrostrip elemen tunggal, array dan multilayer parasitik pada router wifi...72

18 DAFTAR SIMBOL Ω h Rin X in G Ohm Permitivitas relatif bahan substrat Ketebalan bahan substrat Lebar patch Kecepatan cahaya ( m/s) frekuensi resonansi antena Panjang patch Pertambahan panjang patch Permitivitas relatif efektif Panjang patch efektif Panjang ground plane Lebar ground plane Lebar saluran pencatu Panjang saluran pencatu Panjang gelombang diruang bebas Panjang gelombang pada bahan Panjang insert feed Impedansi antena Resistansi antena Reaktansi antena Resistansi radiasi antena Resistansi rugi-rugi Koefisien refleksi tegangan Impedansi karakteristik Frekuensi tertinggi Frekuensi terendah Gain

19 η Efisiensi antena D Direktivitas antena Derajat

20 DAFTAR ISTILAH Antena referensi : antena pembanding Bandwidth : lebar pita frekuensi antena yang dibatasi oleh VSWR tertentu Direksional Fringing effect : : pola radiasi ke satu arah sudut tertentu medan limpahan dari medan listrik yang menyebar dari kedua sisi patch antena mikrostrip Gain : perbandingan intensitas radiasi maksimum suatu antena terhadap instensitas radiasi antena referensi dengan daya input yang sama Konduktivitas : sifat bahan yang merupakan ukuran kemampuannya untuk menghantarkan arus elektrik. Main lobe : arah pola radiasi maksimum Matched Multilayer : : kondisi sepadan antara saluran transmisi satu dengan yang lain. memiliki banyak lapisan Network analyzer Nirkabel Patch : : : suatu alat yang digunakan untuk mengukur dan menganalisa parameter-parameter antenna. komunikasi tanpa kabel bidang peradiasi (patch) yang berfungsi untuk meradiasikan gelombang elektromagnetik Permitivitas Pola radiasi : : ukuran derajat perlawanan suatu medium terhadap aliran muatan dalam medium tersebut. representasi grafis karakteristik radiasi antena sebagai fungsi koordinat ruang Return loss : perbandingan dalam decibel antara daya yang terpantulkan dengan daya masukan

21 DAFTAR SINGKATAN AUT BW NA RL SMA VSWR : Antenna Under Test : Bandwidth : Network Analyzer : Return Loss : SubMiniature version A : Voltage Standing Wave Ratio